Zustandsüberwachung und -überwachung von Rotationsmaschinen durch Schwingungsmessung

Die physikalischen Grundlagen

Jeder feste Körper ist in der Lage, Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen in mehreren Richtungen auszuführen. Die größten Ausschläge treten bei der materialspezifischen Eigenfrequenz auf, da der Körper in dieser Frequenz (resonant) in der jeweiligen Richtung schwingt (daher der Begriff Resonanzfrequenz). Natürlich beginnt kein Körper von selbst Schwingungen auszuführen, sondern dazu ist eine Anregung - also eine externe Kraftwirkung - erforderlich. Je größer diese Kraft ist und - im Fall von alternierenden Kräften - je mehr sich ihr Änderungstempo mit der Eigenfrequenz des Körpers deckt, desto stärkere Schwingungen führt der feste Körper in der durch die Kraftwirkung bestimmten Richtung aus. Bei Rotationsmaschinen sind die Quellen für Schwingungen zwangsläufig die während des Betriebs unvermeidlichen alternierenden Kräfte der Maschine. Diese können niemals vollständig eliminiert werden, da sie unter anderem aus dem betriebsmäßigen alternierenden Betrieb der Maschine (z. B. Hubkolbenmaschinen), aus verbleibender Unausgewogenheit der rotierenden Komponenten, aus periodischen Kräften aufgrund des Antriebs (z. B. Netzharmonischen) resultieren. Die Auswirkung der während des Betriebs vorhandenen Kräfte auf die einzelnen Maschinenelemente ist so zu verstehen, dass jedes Maschinenelement Teil eines Feder-Masse-Schwingungssystems ist. Die Rotationsmaschine besteht aus zahlreichen solcher Schwingungssysteme, die nahezu ausnahmslos miteinander verbunden sind und sich gegenseitig anregen. Aufgrund der Resonanzeigenschaften fester Körper strebt jedes Maschinenelement danach, die Wirkung der auf es einwirkenden alternierenden Kraft in seiner eigenen Frequenz zu verfolgen. Dies gilt nicht nur für die beweglichen Komponenten der Maschine, sondern auch für alle Trägerelemente. Die Frequenz und die zugehörige Amplitude der messbaren Schwingungen auf der Maschine hängen von der Steifigkeit und Masse der mechanischen Elemente ab. Je kleiner das Maschinenelement ist, desto höher ist die Frequenz, aber die Amplitude der Schwingung ist geringer.

Die Auswahl des Messpunkts

Jede mechanische Vibration ist an ihrem Entstehungsort am stärksten. Die Energieübertragung der Vibration erfolgt in jedem Material mit mehr oder weniger starker Dämpfung. Je höher die Frequenz der Vibration ist, desto stärker ist der Dämpfungseffekt. Daher können Niederfrequenzschwingungen auch in größerer Entfernung vom Ursprung wahrgenommen werden, während die Erfassungsreichweite von Hochfrequenzschwingungen (z. B. Lagererschütterungen) sehr begrenzt ist. Darüber hinaus können Hochfrequenzschwingungen nur von leichten Elementen - die durch hohe Eigenfrequenz gekennzeichnet sind - gut verfolgt werden, schwere Körper jedoch nicht. Die Energie der Hochfrequenzschwingungen, die von leichten Elementen übertragen werden können, ist zu gering, um einem größeren Körper genügend Anregung für Schwingungen zu geben. Zusätzlich zu der erwähnten Dämpfung tritt ein weiterer Verlust von Schwingungsenergie auf, wenn die Vibration von einem Körper auf einen anderen übertragen wird (in unserem Fall zwischen Maschinenelementen). Je enger die Verbindung zwischen den beiden Elementen ist, desto einfacher ist die Übertragung der Vibrationsenergie. Nicht miteinander verbundene Elemente folgen nicht den Schwingungen des anderen. Daraus ergibt sich, dass die Messung so nah wie möglich am Schwingungsursprung durchgeführt werden sollte. Bei Rotationsmaschinen wird empfohlen, an den Lagergehäusen zu messen, da die übertragenen Schwingungen aus den Fehlern der rotierenden Komponenten hierher gelangen und die von Lagerfehlern stammenden (hochfrequenten) Schwingungen nur hier gemessen werden können. Messungen sollten nicht an lockerer Verkleidung oder separat stehenden - nicht eng verbundenen - Maschinenelementen durchgeführt werden, wenn uns die Schwingungen der rotierenden Maschinenelemente interessieren! (Es lohnt sich nur, an den genannten Elementen Messungen durchzuführen, wenn der Verdacht besteht, dass sie auf eine Anregung der Maschine mit Resonanz reagieren.)

Abbildung: Typische Messpunkte an Rotationsmaschinen (Beispiele)

Schwingungsgeschwindigkeitsmessung (bzw. breitbandige Schwingungsmessung oder Schwingungspegelmessung) Wenn ein Messverfahren benötigt wird, das eine besonders einfache Handhabung und leicht verständliche Zustandsmerkmale für Rotationsmaschinen liefert, ist die breitbandige Schwingungsmessung oder Schwingungspegelmessung die geeignete Methode. Die dafür vorgesehenen Handmessgeräte messen den Effektivwert der Schwingungsgeschwindigkeit (auf Englisch RMS, d. h. das quadratische Mittel der Schwingungskomponenten). Beispiel: Angenommen, die Vibration stammt aus mehreren Komponenten, wie Unausgewogenheit (4 mm/s), Achsausrichtungsfehler (2 mm/s) und Getriebeübersetzung (5 mm/s). Dann beträgt die resultierende Vibration - also der mit dem Gerät gemessene Effektivwert - 3,9 mm/s.

Schwingungseffektivwert =√((42 + 22 + 52)/3)^¬ = 3,9 mm/s

Der übliche Frequenzbereich der Messung reicht von 10 bis 1000 Hz (gemäß ISO 10816-3) oder sogar bis zu 3200 Hz. Diese Bereiche umfassen die häufigsten Frequenzen, die für die mechanischen Probleme rotierender Maschinen charakteristisch sind. Beispielsweise sind Unwucht, mechanische Lockerheit, Resonanz sowie Fehler bei der Ausrichtung von Wellen und Getrieben deutlich erkennbar. Es gibt jedoch keine Informationen darüber, welche davon dominieren. Die Anwendung von Breitband-Schwingungsmessgeräten - entsprechend den Empfehlungen verschiedener Schwingungsbewertungsstandards - wird für Messungen an den Lagern rotierender Maschinen (oder deren Gehäusen) empfohlen. Benutzern ohne Erfahrung wird empfohlen, sich bei der Auswertung der Messergebnisse auf die Norm ISO 10816-3 (die die alte ISO 2372 und ISO 3945 ersetzt hat) zu stützen. Es gibt jedoch Technologien, die strengere Anforderungen als die Norm stellen, sowie Fälle, die höhere Schwingungswerte als die Norm zulassen.

Abbildung: Typisches digitales Schwingungspegelmessgerät (VMI Viber-A+)

In der Regel basieren die Standards auf der Messung der Schwingungsgeschwindigkeit, ausgedrückt in mm/s Effektivwert (RMS). Die Interpretation des Messergebnisses wird erleichtert, indem der abgelesene Wert als Durchschnittsgeschwindigkeit der Hin- und Herbewegung betrachtet wird. Der effektive Wert der Schwingungsgeschwindigkeit spiegelt am besten das Ausmaß unerwünschter Phänomene und schädlicher Energien wider. Diese verursachen in jedem messbaren Fall Verschleiß und Materialermüdung in der Maschinenstruktur. Die Norm ISO 10816-3 klassifiziert Maschinen in Klassen und unterscheidet auch zwischen flexibel und starr montierten Maschinen. (Letztere entsprechen der Klassifizierung nach Resonanzfrequenzen und Grunddrehzahlen der Maschinen. Zum Beispiel zeigt eine Maschine, die mit einer Gummiauflage oder einer Feder - also flexibel - montiert ist, oft Resonanzen bei niedrigen Drehzahlen und führt bereits bei sehr niedrigen Drehzahlen zu großen Schwingungen durch. Wenn die Drehzahl die kritischen Resonanzfrequenzen überschreitet, sinkt der Schwingungspegel. Bei starr montierten Maschinen tritt ein solches Phänomen nicht auf.) Moderne Maschinen arbeiten mit hohen Drehzahlen und verfügen über relativ flexible Lager, Peripheriegeräte und Fundamente. Daher können diese auch als flexibel montiert behandelt werden, selbst wenn sie nicht mit Gummiauflagen oder Federn befestigt sind. In solchen Fällen erlaubt die Norm ISO 10816-3 etwas höhere Schwingungspegel im Vergleich zur starren Befestigung.

Abbildung: Empfohlene Grenzwerte für Schwingungspegel gemäß ISO 10816-3 (Auszug) Klassen von Maschinen gemäß ISO 10816-3 Norm

Klasse der Maschine	Allgemeine Beschreibung der Maschinen
I.	Gruppe von Kleingeräten, zu denen Elektromotoren mit einer Leistung von weniger als 15 kW gehören.
II.	Gruppe mittlerer Maschinen, zu denen stabile - nur rotierende Bewegungen ausführende - Maschinen, Pumpen, Ventilatoren, separat montierte Maschinen bis 300 kW übertragener Leistung sowie Elektromotoren mit einer Leistung von 15-75 kW gehören.
III.	Gruppe großer, schwerer, nur rotierende Bewegungen ausführender Arbeits- und Kraftmaschinen, die über ein schweres oder massives Fundament verfügen.
IV.	Gruppe von Arbeits- und Kraftmaschinen, die auf einer flexiblen Basis mit rotierenden Bewegungen platziert sind und mit ihrer hohen Masse und hohen Drehzahl arbeiten (Turbomaschinen, Turbogeneratoren).

Die Verwendung von Normen ermöglicht es, leicht zu entscheiden, ob bestimmte Maschinen weiter betrieben werden können oder nicht. Als Grundregel kann akzeptiert werden, dass bei Maschinen, die eine Vibration von mehr als 3 mm/s Effektivwert aufweisen (einschließlich der häufigsten Maschinentypen wie Elektromotoren, Pumpen, Ventilatoren, Generatoren), die Ursache der Vibration ermittelt werden muss. Betreiben Sie keine Maschine, die stärker als 7 mm/s vibriert, wenn Sie nicht sicher sind, ob die Maschine unter solchen Bedingungen langfristig betrieben werden kann.

Die folgende Liste enthält Erfahrungswerte und vereinfachte Erklärungen zu den Schwingungspegeln, die für flexible Maschinen gelten und ähnlich den genannten Normen sind. Diese Liste kann als erste Annäherung verwendet werden, wenn eine Maschine bewertet werden muss, die neu in Betrieb genommen wurde oder nur für kurze Zeit in Betrieb war. Die Werte sind in mm/s angegeben. Die Schwingungsgrenzwerte gelten nicht für Kolbenmaschinen (z. B. Kompressoren, Verbrennungsmotoren) und für Maschinen mit konstanter mechanischer "Reibung" oder "Schlagwirkung" (z. B. Mühlen).

Erfahrungswerte zur Bewertung der Schwingungspegel [Quelle: VMI]

0 … 3	Geringe Vibrationen. Keine oder nur sehr geringe Lagerbelastung. In der Regel niedriges Geräuschniveau.
3 … 7	Spürbare Vibrationspegel konzentrieren sich oft auf ein spezifisches Bauteil oder eine Maschinenrichtung. Spürbare Lagerbelastung. Dichtungsprobleme. Erhöhter Geräuschpegel. Es wird empfohlen, die Ursache beim nächsten planmäßigen Stillstand zu ermitteln. Bis dahin sollte die Maschine unter Aufsicht betrieben und in kürzeren Zeitabständen erneut der Vibrationspegel gemessen werden, um eine mögliche Verschlechterung frühzeitig zu erkennen.
7 … 18	Starke Vibrationen. Die Lager sind heiß. Überlastung der Lager führt zu häufigem Austausch. Die Dichtungen sind defekt, verschiedene Leckagen sind möglich. Wellen und Fundamente brechen. Hoher Geräuschpegel. Sofortiges Eingreifen ist erforderlich, und alles muss unternommen werden, um die Ursache zu ermitteln. Die Ausrüstung verschleißt sehr schnell.
18 …	Sehr starke Vibrationen und sehr lauter Lärm, der nicht mit einem sicheren Betrieb der Maschine vereinbar ist. Die Maschine muss abgeschaltet werden, wenn die Stillstandskosten technisch oder wirtschaftlich gerechtfertigt sind. Andernfalls sollte die Betriebszeit auf ein Minimum reduziert werden. Es gibt keine bekannte Maschine, die diese Vibrationspegel ohne erhebliche interne oder externe Schäden überstehen könnte.

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu

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